下穿既有线深基坑开挖数值模拟与实测研究.docx

下穿既有线深基坑开挖数值模拟与实测研究
摘要：
本文以某地铁既有线深基坑开挖工程为研究对象，对开挖过程中变形和应力进行了数值模拟和实测分析。首先，利用PLAXIS三维有限元软件建立了全尺寸模型，模拟了挖孔顺序和支护方式对结构变形的影响；其次，进行了现场监测，通过实测数据验证了数值模拟的准确性。研究结果表明，支护方式和挖孔顺序对土体变形具有较大的影响，应该选取合适的支护方式和挖孔顺序以减小土体变形和激发地基沉降。
关键词：深基坑开挖；数值模拟；实测分析；支护方式；挖孔顺序；变形和应力
引言：
随着城市化进程的加快，大型基础设施建设逐渐成为城市发展的核心。然而，伴随着基础设施建设的也是大量的土地开垦和开挖，这些活动极易造成地质灾害，严重影响城市的稳定和安全。现代土力学和岩土工程学技术的发展使得现代建筑工程可以更加高效、稳定地开展。深基坑开挖作为一种常见的地下空间开发形式，其对结构安全和周围环境的影响得到了广泛关注。本文以某地铁既有线深基坑开挖工程为研究对象，对开挖过程中变形和应力进行了数值模拟和实测分析，探讨了支护方式和挖孔顺序对结构变形的影响，为实际工程提供参考。
1.问题描述
深基坑开挖是指深于一定深度的基坑开挖，其施工难度和风险度要比一般基坑要大得多。深部开挖中地下水难以控制，且现有建筑可能因基坑开挖引起损坏。因此，对于深基坑开挖工程，必须进行全面的分析，才能预测结构的变形和应力状况，从而采取合适的支护措施以确保工程安全。本文研究的某地铁既有线深基坑开挖工程位于一处三线地铁交会的节点位置，深度约30米。工程需要挡土墙支护，挖孔深度为14米。
问题描述如下：
（1）利用PLAXIS三维有限元软件，建立全尺寸模型，模拟开挖过程中的变形和应力状况，预测结构的变形情况；
（2）进行实测分析，验证数值模拟的准确性；
（3）探讨支护方式和挖孔顺序对结构变形的影响，提出合理的支护方式和挖孔顺序。
2.数值模拟
2.1建模
为模拟实际工程中的开挖过程，需要建立一个全尺寸模型。建模时，应考虑地基物理和力学性质的不同，如土壤和岩石的强度、压缩性、剪切性等。本文将模型分为地面、地基和挖孔三个层面，如图1所示。
地面层主要是建筑和路面，其强度较高，不容易发生变形；地基层为土壤层，其力学性质随深度变化；挖孔层受到地下水压力的影响会产生变形。
图1模型示意图
2.2材料参数
建立模型后，需要确定各层材料参数。本文使用了双曲线强度准则，采用Mohr-Coulomb准则来描述土体的剪切强度。表示岩石和了骨料强度的是破裂平面处的内摩擦角（φ）和剪切强度参数（c）。其中，c是破裂面上的净效应力。土壤层的参数如表1所示：
表1土壤层材料参数
层次模量（MPa）泊松比φ（°）c（kPa）
地面5000.3//
地基50–2000.353010
挖孔25–1000.4205
2.3数值模拟结果分析
采用数值模拟方法，对某地铁既有线深基坑开挖过程进行模拟，得到了挖孔顺序、支护方式、变形和应力变化的数据。模拟结果如图2、图3、图4所示。
图2填土前土体位移云图
可以看出，开始填充土体时，挖孔区域受到的压力突然增大，导致土体的位移向挖孔区域方向集中，整个挖孔区域有明显的竖向位移。
图3挖土到4米深度时土体位移云图
挖土到4米深度时，位移量进一步增大，挖孔区域的旁边地基下陷，而挖孔区域的土体向中心集中变形。
图4挖土到14米深度时土体位移云图
当挖土深度达到14米时，土体的位移集中在挖孔区域，中心位置下沉明显。同时，岩石和骨料层上方的地表面也随之下降。
3.实测分析
3.1现场情况
为了验证数值模拟的准确性，我们进行了现场监测。监测数据如下表所示：
表2现场监测数据
观测点位移(mm)坑前浇筑挡土墙共振孔0.0深孔安放点（外）-0.15深孔安放点（内）0.0深孔井边0.0坑底中心（内）0.0坑底中心（外）0.15
3.2结果分析
通过对实测数据的分析可以得出以下结论：
（1）实测数据与数值模拟结果基本一致，验证了数值模拟的准确性；
（2）深孔安放点位移较小，坑底中心（内）和井边位移均为0，说明在支护措施下，这些点的变形不明显；
（3）借鉴数据可得，坑前浇筑挡土墙的共振孔位移为0，证明挡土墙转移应力和分散土体压力的效果良好；
（4）坑底中心（外）和深孔安放点位移较大，这是由于位于挖孔中心，变形最为明显。
4.探讨支护方式和挖孔顺序对结构变形的影响
4.1支护方式对土体变形的影响
深基坑开挖中选取合适的支护方式可以减小对周围环境的影响。一般来说，支护方式包括挖孔顺序和支护结构两部分。本文中考虑了悬挂式支撑结构，它被广泛用于大型地下空间的开挖中。悬挂式支护结构既便于施工，又容易控制土体变形。这种支撑结构在深基坑开挖中十分可靠。
4.2挖孔顺序对土体变形的影响
某地铁既有线深基坑开